De la Conception à la Compétition : Une Étude Théorique Ascendante de l'(Auto)Catalyse

From Design to Competition: A Bottom-up Theoretical Study of (Auto)Catalysis

• Auteur / Autrice : Yann Sakref
• Direction : Olivier Rivoire
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 04/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre Interdisciplinaire de Recherche en Biologie
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Collège de France (1530-....)
• Jury : Président / Présidente : Virginie Courtier-orgogozo
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Rivoire, Yannick De decker, Sandeep Krishna, Zorana Zeravcic, Rami Pugatch
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yannick De decker, Sandeep Krishna

Mots clés

Mots clés libres

Autocatalyse

Catalyse

Conception

Croissance Exponentielle

Compétition pour des ressources

Autocatalysis

Catalysis

Design

Exponential Growth

Resource competition

Résumé

Les autocatalyseurs sont un type spécial de catalyseurs — des molécules qui accélèrent la formation d'un produit tout en restant elles-mêmes inchangées — avec une particularité unique : ils sont également le produit de la réaction qu'ils catalysent. Cette particularité, de nature physique, entraîne une conséquence dynamique significative, car le taux de production d'un autocatalyseur augmente avec le temps. Cela permet aux autocatalyseurs de générer des dynamiques complexes, et notamment, l'émergence de l'évolution darwinienne dans les systèmes chimiques. Malgré leur importance, plusieurs questions fondamentales sur l'autocatalyse restent en grande partie sans réponse. Quelles sont les propriétés physiques minimales qui permettent à une molécule d'agir en tant qu'autocatalyseur ? Dans quelle mesure les autocatalyseurs ressemblent-ils aux catalyseurs traditionnels ? Comment ces propriétés physiques, ainsi que l'environnement, influencent-ils la vitesse à laquelle les autocatalyseurs s'accumulent ? Comment se déroule la compétition entre autocatalyseurs pour des ressources communes ? Dans cette thèse, nous répondons à ces questions. Pour déterminer les propriétés physiques minimales qui permettent à une molécule de fonctionner en tant qu'autocatalyseur, nous concevons des autocatalyseurs minimaux par dynamique moléculaire. Nous démontrons également que ces autocatalyseurs minimaux peuvent servir de simples catalyseurs lorsque certaines contraintes physiques sont relâchées. De plus, nous dérivons analytiquement les taux auxquels ces catalyseurs et autocatalyseurs forment des produits, en tenant compte à la fois de leurs propriétés intrinsèques et des conditions externes dans lesquelles ils opèrent; on observe que les ajustements nécessaires pour des performances optimales d'autocatalyseur diffèrent de ceux pour les catalyseurs traditionnels. En revisitant la compétition entre autocatalyseurs pour des ressources communes, nous remettons en question la notion prédominante selon laquelle les autocatalyseurs exponentiels s'excluent nécessairement les uns les autres, et nous montrons qu'ils peuvent même être surpassés par des autocatalyseurs sous-exponentiels. Dans l'ensemble, nos résultats suggèrent que même des autocatalyseurs simples et minimaux peuvent présenter des comportements complexes tels que la croissance exponentielle, la coexistence et l'exclusion.

Autocatalysts are a special type of catalysts—molecules that speed up the formation of a product while remaining unchanged themselves—with a unique twist: they are also the product of the reaction they catalyze. This twist, physical in nature, leads to a significant dynamic consequence, as the rate of autocatalyst production increases over time. It enables autocatalysts to drive various complex chemical processes, and most notably, the emergence of Darwinian evolution in chemical systems. Despite their importance, several fundamental questions about autocatalysis remain largely unanswered. What are the minimal properties that allow a molecule to act as an autocatalyst? To which extent autocatalysts resemble the broader class of catalysts? How do these properties as well as the environment influence the speed at which autocatalysts accumulate? How does the competition of autocatalysts unfold? In this thesis, we shed light on those questions. To determine minimal physical properties that allow a molecule to function as an autocatalyst, we computationally design minimal autocatalysts that replicate by template replication. We also demonstrate that these minimal designs can serve as catalysts and cross-catalysts when certain physical constraints are relaxed. Building on this, we analytically derive the rates at which these catalysts and autocatalysts form products, taking into account both their intrinsic properties and the external conditions they operate in. We find that the adjustments needed for optimal autocatalyst performance differ from those for traditional catalysts. Revisiting the competition among autocatalysts for common resources, we challenge the prevailing notion that exponential autocatalysts necessarily exclude each other, and we show that they can even be outcompeted by subexponential ones. Overall, our findings suggest that even simple and minimal autocatalysts can exhibit complex behaviors like exponential growth, coexistence, and exclusion.